Angew.：河南大学徐尤智/刘琪团队，二维COFs在有机电子学的研究进展

第一作者：刘琪，李强

通讯作者：刘琪，徐尤智

通讯单位：河南大学

DOI：10.1002/anie.202502536

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本文系统综述了二维共价有机框架（2DCOFs）在有机电子学中的最新进展。通过计算筛选和结构优化策略（如平面/层间电荷传输调控、拓扑设计、带隙工程与形貌控制），2DCOFs的导电性显著提升。研究进一步展示了其在有机场效应晶体管（OFETs）、忆阻器、光电探测器和气体传感器中的应用潜力，为下一代柔性电子器件设计提供了新思路。

背景介绍

传统有机半导体（如小分子和π共轭聚合物）因导电性低、结构无序等问题，限制了其在高性能电子器件中的应用。2DCOFs作为结晶性多孔材料，兼具可设计的π共轭网络、有序孔道和机械柔性，为解决上述瓶颈提供了可能。然而，其本征导电性不足仍是核心挑战。本文聚焦如何通过分子工程和器件设计优化2DCOFs的电子特性，并探索其实际应用。

图文解析

电荷传输机制：
2DCOFs的电荷传输分为跳跃传输（Hopping）和类带传输（Band-like）。平面内通过共轭键高效传输，层间通过π-π堆叠实现各向异性传导（图1-图2）。层间距（d-spacing）是影响层间传输的关键因素，当d-spacing <4.0 Å时，类带传输占主导（图1d-e）。

图1 2DCOFs电荷及质量传输与聚合物、小分子半导体的对比

图2 (a)小晶畴半导体中的跳跃传输和(b)大晶畴半导体中的类带传输示意图。(c)硼酸酯、亚胺和烯烃连接2DCOFs的σ，(d) σ或(e) μ与层间距之间的关系。

图3 连接体类型对电学性能的影响

拓扑与带隙调控：
Lieb晶格拓扑（图4）因高能带色散特性，显著提升导电性；供体-受体（D-A）结构设计可缩小带隙（图5），增强电荷分离效率。

图4 拓扑结构对2DCOFs电学性能的影响

图5 带隙对2DCOFs电学性能的影响

形态调控：2DCOFs薄膜通常表现出优于2DCOFs微晶的导电性。

图6 2DCOFs薄膜合成

器件应用实例：

OFETs：全共轭2DCOF薄膜（如CuPc-AQ-COF）的载流子迁移率高达970 cm² V⁻¹ s⁻¹（图6k）。

图7 2DCOFs在OFETs中的应用

忆阻器：有序孔道调控导电细丝生长，实现多级存储与类突触行为（图11）。

图8 2DCOFs在忆阻器中的应用（导电细丝机制）

光电探测器：D-A结构增强载流子分离和定向传输，提高光电转换效率。

图9 2DCOFs在光电探测器中的应用

气体传感器：多孔结构增强气体吸附，柔性薄膜应用于可穿戴器件。

图10 2DCOFs在可穿戴气体传感器中的应用

总结与展望

2DCOFs凭借结构可定制性、高稳定性和多孔特性，在有机电子学中展现出独特优势。未来研究需关注：

电荷传输机制：结合霍尔效应与器件测试深入解析导电本质；

单层制备：开发高结晶度单层2DCOFs，探索拓扑电子态；

多功能集成：结合机器学习优化材料设计，开发柔性可穿戴器件；

环境耐受性：提升器件在复杂环境下的稳定性与选择性。

图11 2DCOFs的未来机遇与挑战

作者简介

刘琪博士，2024年6月博士毕业于中国石油大学（华东）材料科学与工程学院材料科学与工程专业。同年8月入职河南大学加入徐尤智团队。研究方向为新型框架材料的设计合成及其催化传感应用。目前以第一作者及通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Sens. Sens. Actuators B Chem.发表论文20余篇。

徐尤智博士, 研究员，河南大学特聘教授，河南省青年拔尖人才。2016至2019年获德国DFG资助在埃尔朗根-纽伦堡大学和乌尔姆大学有机化学专业攻读博士学位。2020至2022年，在香港大学合成化学国家重点实验室从事博士后研究。2022年起，任职于河南大学化学与分子科学学院特聘教授。目前以第一作者或者重要参与者在Nat. Chem., Chem. Soc. Rev. J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Org. Lett., Chem. Eur. J.等重要学术期刊发表论文20余篇。获得国自然青年、面上基金等经费支持，并获得国家优秀自费留学生奖学金、日本“Chem Lett”青年奖等。J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed, Chem Sci. 等杂志独立审稿人，Chinese Chemical Letters杂志青年编委。

课题组主页网址：https://www.x-mol.com/groups/youzhixu

文献详情：

Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks in Organic Electronics

Dr. Qi Liu, Qiang Li, Yu Li, Taotao Su, Binghan Hou, Yibo Zhao, Prof. Youzhi Xu

Angew Chem ，2025

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202502536

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